用于燃料转化的方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请涉及 2013 年 2 月 5 日提交的题为"HighQualitySyngasProduction UsingCompositeMetalOxides" 的美国临时专利申请No. 61/761，016(案卷号OSU0080 MA)，以及 2013 年 3 月 13 日提交的题为"SystemsandMethodsforCo-CurrentChemical LoopingSystems"的美国临时专利申请No. 61/779, 243(案卷号OSU0080M2)，两者的教 导以引用方式并入本文。
技术领域
[0003] 本公开涉及化学循环系统和方法，具体涉及用于由原料燃料制备合成气的系统和 方法。
【背景技术】
[0004] 持续需要清洁有效的能量产生系统。产生能量载体（如蒸汽、氢气、合成气体（合 成气）、液体燃料和/或电力）的商业过程中的许多是基于化石燃料。此外，由于相比于一 些可再生源的更低的成本，对化石燃料的依赖预计在可预见的未来继续。碳质燃料的目前 的转化方法可将大量的二氧化碳排出至环境，并可能要求显著的资本和操作成本。由于煤 的复杂内容物，在这些过程中也可产生硫和氮化合物。
[0005] 存在对可有效转化燃料并同时减少污染物的用于转化燃料的改进系统和方法以 及其中的系统部件的需要。
【发明内容】
[0006] 在一个实施方案中，燃料可通过包括如下的方法转化为合成气：将燃料和复合金 属氧化物以相对于彼此并流流动的方式进料至还原反应器中；使用所述燃料还原所述复合 金属氧化物，以形成合成气和经还原的复合金属氧化物；将所述经还原的复合金属氧化物 输送至氧化反应器；通过在氧化反应器中用氧化试剂氧化所述经还原的复合金属氧化物而 再生复合金属氧化物；和将经再生的复合金属氧化物再循环至还原反应器，从而用于随后 的还原反应以产生合成气。所述复合金属氧化物可为包含第一金属氧化物（primarymetal oxide)和第二金属氧化物（secondarymetaloxide)的固体粒子。
[0007] 在另一实施方案中，天然气可用作燃料，并可通过包括如下的方法转化为合成气： 将燃料和复合金属氧化物以相对于彼此并流流动的方式进料至还原反应器中；使用所述燃 料还原所述复合金属氧化物，以形成合成气和经还原的复合金属氧化物；将所述经还原的 复合金属氧化物输送至氧化反应器；通过在氧化反应器中用氧化试剂氧化所述经还原的复 合金属氧化物而再生复合金属氧化物；和将经再生的复合金属氧化物再循环至还原反应 器，从而用于随后的还原反应以产生合成气。所述复合金属氧化物可为包含第一金属氧化 物和第二金属氧化物的固体粒子。所述复合金属氧化物可包含氧化铁和氧化钛；或者所 述复合金属氧化物包含氧化铁和氧化错。氧化铁可在还原反应中由Fe0x还原至FeOy，且 1.5>x>l>y>0. 3〇
[0008] 根据又一实施方案，燃料可通过包括如下的方法转化：使用燃料还原复合金属氧 化物，以形成合成气和经还原的复合金属氧化物；和通过用氧化试剂氧化所述经还原的复 合金属氧化物而再生复合金属氧化物。所述复合金属氧化物为可包含第一金属氧化物和第 二金属氧化物的固体粒子。所述复合金属氧化物可包含氧化铁和氧化钛；或者所述复合金 属氧化物可包含氧化铁和氧化铝。复合金属氧化物的还原和复合金属氧化物的氧化可在具 有气体转换系统的固定床中进行。或者，所述复合金属氧化物的还原可在还原反应器中进 行，其中所述还原反应器为包括两个气体出口的移动床反应器，且所述复合金属氧化物的 还原产生合成气和C02。或者，复合金属氧化物的还原和氧化可在膜基反应器中进行，其中 所述复合金属氧化物集成至所述膜基反应器的燃料侧。
[0009] 用于化学转化系统的装置和方法以及用于制造其的方法和过程的另外的特征和 优点在如下详细描述中阐述，且根据所述描述，所述另外的特征和优点部分对于本领域技 术人员而言是易于显而易见的，或将通过实施本文描述的实施方案（包括如下详细描述、 权利要求书以及所附附图）而被认识。
[0010] 应了解前述一般描述和如下详细描述阐述了各种实施方案，并旨在提供用于理解 所要求保护的主题的性质和特性的概述或框架。所附附图被包括以提供各个实施方案的进一步理解，并被引入本说明书并构成本说明书的一部分。附图示出了本文描述的各个实施 方案，并与说明书一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
【附图说明】
[0011] 当结合如下附图阅读时，可最好地理解本公开的具体实施方案的如下详细描述， 其中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：
[0012] 图1为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，比较随甲烷和单个/复合金 属氧化物之间的各种比例变化的平衡碳分布差异的图；
[0013] 图2为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，比较纯FeO和复合金属氧化 物之间的平衡合成气组成差异的图；
[0014] 图3(a)为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，使用并流反应器的燃料 转化系统的示意性流程图，所述并流反应器用于使用气体燃料的复合金属氧化物的还原反 应；
[0015] 图3(b)为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，使用并流反应器的燃料 转化系统的示意性流程图，所述并流反应器用于使用气体燃料的复合金属氧化物的还原反 应；
[0016] 图4(a)为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，使用并流反应器的燃料 转化系统的示意性流程图，所述并流反应器用于使用固体燃料的复合金属氧化物的还原反 应；
[0017] 图4(b)为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，使用并流反应器的燃料 转化系统的示意性流程图，所述并流反应器用于使用固体燃料的复合金属氧化物的还原反 应；
[0018] 图5(a)为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，使用并流反应器的燃料 转化系统的示意性流程图，所述并流反应器用于使用液体燃料的复合金属氧化物的还原反 应；
[0019] 图5(b)为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，使用并流反应器的燃料 转化系统的示意性流程图，所述并流反应器用于使用液体燃料的复合金属氧化物的还原反 应；
[0020] 图6为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，使用固定床反应器的燃料转 化系统的示意性流程图；
[0021] 图7为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，使用逆流移动床反应器的燃 料转化系统的示意性流程图，其中在复合金属氧化物的还原反应中，合成气从中部产生，浓 缩(：0 2流从顶部产生；
[0022] 图8为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，使用移动床反应器的燃料转 化系统的示意性流程图，其中在复合金属氧化物的还原（吸热）反应中，燃料从中部引入， 合成气从底部产生，浓缩〇) 2流从顶部产生；
[0023] 图9为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，燃料转化系统的示意性流程 图，其中由在分开的逆流移动床反应器中的蒸汽产生另外的氢气；
[0024] 图10为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，使用太阳能来提供两步转 化方案中的反应热的燃料转化系统的示意性流程图；
[0025] 图11为根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，使用〇TM/ITM膜基反应 器的燃料转化系统的示意性流程图，其中复合金属氧化物材料在燃料侧用于合成气产生；
[0026] 图12为并流移动床实验装置的不意图；
[0027] 图13为示出了根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，随着使用煤作为原 料燃料的并流移动床实验装置的时间而变化的C0/C02比和H2/C0比；
[0028] 图14为示出了根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，随着使用煤和甲烷 两者作为原料的并流移动床实验装置的时间而变化的C0/C02比和H2/C0比的图；
[0029] 图15为示出了根据本文显示和描述的一个或多个实施方案，使用甲烷作为原料 的并流移动床实验数据的图。
【具体实施方式】
[0030] 本文描述了用于将燃料源（有时称为原料燃料）转化为合成气的系统和方法。通 常，合成气包含一氧化碳和氢气，并可包含一些其他化学品，例如但不限于二氧化碳和蒸汽 (H20)。在一个实施方案中，复合金属氧化物的还原反应可由燃料产生合成气，氧化反应可 再生经还原的复合金属氧化物。如本文所用，还原反应可称为"第一步骤"或"步骤一"，且 氧化反应可称为"第二步骤"或"步骤二"。还原反应可在还原反应器中进行，氧化反应可 在分开的氧化反应器中进行。在一些实施方案中，合成气可包含至少约50mol%，至少约 60mol%，至少约70mol%，至少约80mol%，或甚至至少约85